JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
化学

التحجيم الكهروكيميائي الدقيق للجسيمات الفردية غير النشطة كهربائيا

Published: August 04, 2023
doi:
10.3791/65116
, ,
1Interdepartmental Program in Biomedical Science and Engineering,University of California at Santa Barbara, 2Department of Chemistry and Biochemistry,University of California at Santa Barbara

Summary

كتقنية تحليلية ، تعاني الكيمياء الكهربائية ذات التأثير النانوي ، وهي نهج متزايد الأهمية لحساب وتوصيف الجسيمات غير النشطة على نطاق النانومتر ، من ضعف الدقة بسبب توزيعات التيار غير المتجانسة التي تنشأ عن استخدامها للأقطاب الكهربائية الفائقة. يوضح هنا نهجا عاما ، يسمى “انقطاع التحفيز الكهربائي” ، والذي يعزز الدقة في مثل هذه القياسات.

Abstract

وتمكن الكيمياء الكهربية ذات التأثير النانوي من تحديد الخصائص في الموقع (مثل الحجم والنشاط الحفاز) لوحدات المواد النانوية المفردة، مما يوفر وسيلة لتوضيح أوجه عدم التجانس التي يمكن إخفاؤها في الدراسات الجماعية. لتنفيذ هذه التقنية مع جزيئات الأكسدة والاختزال غير النشطة ، يتم استخدام تفاعل الأكسدة والاختزال في مرحلة الحل لإنتاج تيار خلفية مستقر على قرص فائق الصغر. عندما يمتز جسيم على القطب ، فإنه ينتج انخفاضا تدريجيا في منطقة القطب المكشوف ، مما ينتج عنه بدوره انخفاضا تدريجيا في التيار بما يتناسب مع حجم الأنواع الممتزة. تاريخيا ، ومع ذلك ، عانت الكيمياء الكهربائية النانوية من “تأثيرات الحافة” ، حيث تجعل طبقة الانتشار الشعاعي التي تشكلت في محيط الأقطاب الكهربائية فائقة الدقة حجم الخطوة يعتمد ليس فقط على حجم الجسيم ولكن أيضا على مكان هبوطه على القطب. ومع ذلك ، فإن إدخال توليد التيار التحفيزي الكهربائي يخفف من عدم التجانس الناجم عن تأثيرات الحافة ، وبالتالي تحسين دقة القياس. في هذا النهج ، المسمى “انقطاع التحفيز الكهربائي” ، يتم إدخال ركيزة تعمل على تجديد مسبار الأكسدة والاختزال في طبقة الانتشار. هذا يحول خطوة تحديد المعدل للجيل الحالي من الانتشار إلى ثابت معدل التفاعل المتجانس ، وبالتالي تقليل عدم تجانس التدفق وزيادة دقة حجم الجسيمات بترتيب من حيث الحجم. يشرح البروتوكول الموصوف هنا الإعداد وجمع البيانات المستخدمة في تجارب التأثير النانوي التي تنفذ هذا التأثير لتحسين الدقة في تحجيم المواد النشطة في الأكسدة والاختزال.

Introduction

الكيمياء الكهربائية النانوية هي تقنية كهروكيميائية تمكن من الكشف عن الجسيمات الفردية في الموقع في عينة1،2،3،4،5،6،7. تغطي الجسيمات الفردية التي يمكن وصفها بهذا النهج مجموعة واسعة من المواد6،8،9،10،11،12،13 وتشمل الأبعاد من الذرات الفردية إلى الخلايا الكاملة7،8،14،15،16. لاستيعاب اكتشاف وتوصيف هذه المواد الصغيرة ، تستخدم هذه التقنية أقطاب كهربائية فائقة الصغر على نطاق ميكرون ودون ميكرون. ينتج عن تأثير جسيم نانوي كهربي على مثل هذا القطب تغير تيار يمكن قياسه بسهولة حيث يخضع الجسيم النانوي لتفاعل الأكسدة والاختزال. لتوسيع هذا للكشف عن المواد الفعالة الكهربائية، يتم استخدام تفاعل كهروكيميائي في الخلفية لإنتاج تيار الحالة المستقرة الذي يتم تقليله بطريقة تدريجية حيث يغير امتزاز الجسيمات النانوية مساحة سطح القطب17. في هذا المخطط ، يتم استخدام الأقطاب الكهربائية فائقة الدقة لزيادة التغيير النسبي الناتج عن كل تأثير نانوي. ومع ذلك ، فإن طبقة الانتشار الشعاعي التي تنتجها هذه الأقطاب الدقيقة تقلل من دقة القياس بسبب “تأثيرات الحافة”18. تحدث هذه لأن تدفق أنواع الأكسدة والاختزال إلى القطب يكون أكبر عند حواف القطب منه في مركزه19. وهكذا ، عندما يهبط جسيم نانوي واحد على حافة سطح القطب ، يكون الحدث الحالي الناتج أكبر من ذلك الذي يظهر لجسيم مماثل يهبط في مركز القطب19 ، وهذا التأثير أكثر أهمية بالنسبة للأقطاب الكهربائية فائقة الدقة بسبب نسبة مساحتها إلى محيطها الصغيرة. هذه التأثيرات الحافة تنتقص بشكل كبير من دقة الكيمياء الكهربائية النانوية. نظرا لوجودها ، فإن توزيعات حجم الجسيمات المقدرة الناتجة عن تحجيم NanoImpact أوسع 20 مرة من تلك التي تم الحصول عليها باستخدام تقنيات الفحص المجهري “المعيار الذهبي”20. هذه الدقة المنخفضة تنتقص من استخدام الكيمياء الكهربائية النانوية كتقنية تحليلية لتقييم عدم تجانس المواد غير النشطة للأكسدة والاختزال على مقياس النانو4،17،19،21،22،23،24،25،26.

لقد قدمنا مؤخرا طريقة (الشكل 1) تخفف من تأثيرات الحافة في نهج التأثيرالنانوي 20. في هذه الطريقة ، يؤدي إدخال الركيزة إلى تجديد أنواع الأكسدة والاختزال بالقرب من سطح القطب الفائق. هذا يحول خطوة تحديد المعدل في الجيل الحالي من الانتشار إلى معدل التفاعل الكيميائي المتجانس لأنواع الأكسدة والاختزال في المحلول27،28 ، مما يقلل من مدى مساهمة مجال الانتشار الشعاعي في التيارات غير المتجانسة. على وجه التحديد ، توفر أكسدة 2،2،6،6-رباعي ميثيل بيبيريدين 1-أوكسيل (TEMPO) تفاعل الأكسدة والاختزال في الخلفية عند القطب الفائق29. تؤدي إضافة المالتوز إلى هذا إلى تجديد الشكل المخفض ل TEMPO30,31. هذا التجديد سريع32 ، ويضغط طبقة الانتشار ويقلل من عدم التجانس الحالي المرتبط بالهبوط المكاني20. ونتيجة لذلك ، فإن نهج “الانقطاع التحفيزي الكهربائي” يحسن دقة تحجيم جسيمات التأثير النانوي بترتيب من حيث الحجم.

Protocol

1. إنشاء نظام منخفض الضوضاء ملاحظة: تتطلب التجارب ذات الصلة قوة قادرة على تحقيق القياس الذي تم حله بمرور الوقت للتيارات المنخفضة. لتحقيق ذلك ، استخدم قوة تجارية من الدرجة البحثية قادرة على دقة زمنية 1 μs يمكنها تحديد التيارات على مستوى الفيمتوأمبير. لزيادة تقليل التداخل الإلكتروني من البيئة ، قم بإجراء تجارب داخل قفصين من أقفاص فاراداي للتعشيش. تأكد من أن الإعداد قادر على انحراف جذر متوسط التربيعي أقل من 100 fA لتجربة قياس كرونوأمبيرومترية تم أخذ عينات منها عند 10 هرتز في 0.1 M كلوريد البوتاسيوم. الحصول على المعدات وإعدادها ، بما في ذلك أقفاص potentiostat وفاراداي .ملاحظة: يمكن الحصول على أقفاص فاراداي تجاريا أو مصنعة حسب الطلب باستخدام معادن موصلة (مثل النحاس أو الألومنيوم). تم استخدام أقفاص فاراداي المصنوعة من الألومنيوم حسب الطلب للدراسة الموصوفة هنا (انظر جدول المواد). 2. التحضير التجريبي استخدم حبات البوليسترين المعدلة بالكربوكسيلات المتاحة تجاريا بقطر 2 ميكرومتر (انظر جدول المواد).ملاحظة: بينما يمكن تعميم هذا النظام على الأنواع الأخرى غير النشطة كهربائيا23,33 ، فمن الأهمية بمكان أن نتذكر أن التأثيرات تعتمد على الهجرة الكهربية بالإضافة إلى الحركة البراونية. وبالتالي ، قم بتطبيق إمكانات جذابة على الأنواع ذات الأهمية ، والحفاظ على تركيزات الملح المنخفضة17. قم بإعداد الحلول التالية ، والتي يمكن تخزينها في درجة حرارة الغرفة لمدة 1 شهر على الأقل.تحضير محلول كربونات حجمه 50 mM، ومعايرة الرقم الهيدروجيني 12.0 باستخدام 1 M NaOH. مراقبة درجة الحموضة أسبوعيا. تحضير 1 م محلول بيركلورات الصوديوم. قم بإعداد الحلول التالية طازجة كل يوم ، وتجاهلها في نهاية اليوم.تحضير 10 mM TEMPO في محلول كربونات 50 mM ، الرقم الهيدروجيني 12.0. تحضير مخزون 500 مللي متر من المالتوز في محلول كربونات 50 مللي مول ، الرقم الهيدروجيني 12.0. حدد قطب العمل. للحصول على نتائج متسقة ، حدد قطبا كهربائيا فائق الدقة (انظر جدول المواد) بحيث لا يقل نصف قطر الأنواع المراد توصيفها عن 10٪ -15٪ من نصف قطر القطب17،21،23،33،34.ملاحظة: يمكن تقليل هذه النسبة إلى الحد الأدنى بعد تحديد حجم الخطوات الحالية المرتبطة بالارتطام للكشف الأمثل عن نوع معين من الأهمية. يجب أن تحفز مادة القطب المختار تفاعل الأكسدة والاختزال في الخلفية. تحضير خليتين كهروكيميائيتين كل منهما 5 مل.تحضير خلية تحكم تحتوي على 1 mM TEMPO و 5 mM بيركلورات الصوديوم (انظر جدول المواد) في مخزن مؤقت للكربونات عند الرقم الهيدروجيني 12.0. تحضير خلية اختبار تحتوي على محلول 1 mM TEMPO و 5 mM بيركلورات الصوديوم و 120 mM maltose في مخزن مؤقت للكربونات عند الرقم الهيدروجيني 12.0.ملاحظة: يمكن تغيير نسبة وسيط الأكسدة والاختزال إلى الركيزة (هنا ، TEMPO إلى المالتوز) لاستكشاف تأثيرات معدل التفاعل20. توفر هذه القيمة نظرة ثاقبة للتفاعل الكيميائي المتجانس. بعد تحضير هذه الخلايا ، ضعها جانبا للقياسات الكهروكيميائية اللاحقة. 3. تلميع القطب قبل كل تشغيل تجريبي ، قم بتلميع القطب بالتتابع لمدة 2 دقيقة لكل منهما باستخدام ملاط الألومينا 1 ميكرومتر و 0.3 ميكرومتر و 0.5 ميكرومتر (انظر جدول المواد) على وسادات التلميع. حرك القطب في نمط “الشكل 8” لضمان تلميعمتساو 35,36. شطف بسخاء بالماء منزوع الأيونات ، وجفف بمسح المختبر.ملاحظة: لا تقم بصوتنة الأقطاب الكهربائية فائقة الصغر ، فقد يؤدي ذلك إلى إتلافها. 4. القياسات الكهروكيميائية ملاحظة: انظر الشكل 2 للحصول على النتائج. استخدم إعداد ثلاثي الأقطاب الكهربائية للقياسات الكهروكيميائية. بالنسبة للتجارب الموصوفة هنا ، استخدم قطبا كهربائيا فائق الدقة من ألياف الكربون 11 ميكرومتر ، وقطب عداد سلك بلاتيني ، وقطب مرجعي مشبع بالكالوميل (SCE) (انظر جدول المواد).ملاحظة: النوافذ الكهروكيميائية المحتملة للتجارب مذكورة أدناه ؛ كمرجع ، TEMPO لديه جهد رسمي يبلغ 0.49 V مقابل SCE ، والمالتوز ليس كهربائيا في نافذة الجهد المستخدمة في هذه التجارب. قد يؤثر أي تسرب من القطب المرجعي على تركيز الملحالكلي 37 ، مما يقلل من القيادة الكهربائية للجزيئات إلى القطب فائق الدقة ويقلل من كفاءة العد17. إذا أسفرت التجارب عن تردد تأثير منخفض ، ففكر في التبديل إلى قطب كهربائي مرجعي غير مسرب38,39. اضبط خلية التحكم في أقفاص فاراداي ، وقم بتوصيل الأقطاب الكهربائية بالكابلات المناسبة. اجمع المجموعة الأولى من القياسات الكهروكيميائية لكل خلية. سيتألف هذا من تجربة قياس الفولتاميتري الدوري وتجربة قياس الكرونوأمبيرومتري ، كما هو مفصل أدناه.اجمع بيانات قياس الفولتاميتري الدوري باستخدام نافذة محتملة من 0.2 فولت إلى 0.8 فولت مقابل SCE بمعدلات مسح تبلغ 10 مللي فولت ثانية − 1 و 20 مللي فولت ثانية − 1 و 30 مللي فولت ثانية − 1 و 40 مللي فولت ثانية − 1 و 50 مللي فولت ثانية − 1. اجمع بيانات قياس الكرونوأمبيرومتر من خلال تطبيق 0.8 فولت مقابل SCE لمدة 10 دقائق ، وسجل بمعدل أخذ عينات 10 هرتز.ملاحظة: يوصى بفترة أخذ عينات مدتها 10 دقائق لتجارب قياس الكرونوأمبير للحصول على 10-15 تأثيرا فرديا في خطوات لاحقة. ولا يتوقع حدوث أي آثار في هذا المنعطف. بعد ذلك ، قم برفع محلول مخفف من حبات البوليسترين إلى تركيز نهائي قدره 0.66 pM17 في كل خلية من الخلايا الكهروكيميائية. بعد إضافة حبات البوليسترين ، اجمع المجموعة الثانية من القياسات الكهروكيميائية لكل خلية.ملاحظة: سيكون تردد التأثير دالة لهذا التركيز ويتطلب التحسين لجمع بيانات كافية للتحليل الإحصائي دون تشبع مخطط كرونو أمبير بتأثيرات متداخلة40،41،42،43.اجمع بيانات قياس الكرونوأمبيرومتر من خلال تطبيق 0.8 فولت مقابل SCE لمدة 10 دقائق ، وسجل بمعدل أخذ عينات 10 هرتز. كرر قياسات الكرونوأمبيرومترية حتى يتم جمع نقاط بيانات كافية للتحليل الإحصائي. لاكتشاف الاختلافات بين طرق التحجيم المتعددة بمستوى ثقة 95٪ وقوة 80٪ ، حدد حجم عينة من حوالي 200 حدث تأثير فردي. 5. المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) ملاحظة: استخدم المجهر الإلكتروني الماسح كتقنية “معيار ذهبي” لتأكيد أحجام الجسيمات النانوية وعدم تجانس العينات19,44. إعداد العينةلتحضير عينة للتصوير ، قم بتخفيف تعليق حبة اللاتكس الكربوكسيل (انظر جدول المواد) 1:20 في الماء. قم بصب 10 ميكرولتر على شريحة زجاجية ، وجففها تحت تيار النيتروجين ، وقم بتغطية العينة بطبقة موصلة من البلاديوم الذهبي تحت الأرجون. التصويرباستخدام جهد شعاع متسارع يبلغ 5 كيلو فولت وتيار 0.4 nA ، اجمع الصور حسب الاقتضاء للتحليل الإحصائي. استخدم ImageJ45,46 أو برنامج تحليل صور مكافئ لتحديد أحجام الجسيمات. 6. تحليل البيانات الكهروكيميائية سجل البيانات الكهروكيميائية باستخدام برنامج potentiostat ، وحلل هذه النتائج باستخدام نص مكتوب 20 يمكنه استخراج المقادير الحالية من التغييرات المكتشفة في تيار الحالة المستقرة (الخطوات الحالية) الناتجة عن أحداث التأثيرالنانوي 20.ملاحظة: تم تضمين هذا البرنامج النصي كجزء من المعلومات التكميلية في تقريرناالمنشور سابقا رقم 20. حول سعة الخطوات الحالية إلى أنصاف أقطار حبة باستخدام المعادلة التالية:ملاحظة: هنا ، rb هو نصف قطر الخرزة ، relهو نصف قطر القطب ، Δ Iss/Iss هي النسبة بين التغير في التيار الناتج عن امتزاز الجسيم وتيار الحالة المستقرة الأولي الذي لوحظ قبل امتزاز هذا الجسيم ، و f (MT ، Geom) = 0.067 هو عامل قياس تجريبي يعتمد على كل من اعتبارات النقل الهندسيوالشامل 20 ، 25. ارسم تكرار اكتشاف نصف قطر حبة معين مقابل نصف القطر (الشكل 3) لتحديد مقاييس التوزيع. 7. النمذجة ملاحظة: إذا رغبت في ذلك ، يمكن التحقق من الآلية التي يعمل بها انقطاع التحفيز الكهربائي من خلال تأكيد التحول من توليد التيار المحدود الانتشار إلى توليد التيار المحدود بمعدل التفاعل. للوصف والتصور ، استخدم برنامجين مختلفين للمحاكاة العددية: برنامج تركيب voltammogram ، مثل DigiSim ، لتحديد ثابت المعدل المتجانس ، ومنصة نمذجة الفيزياء المتعددة ، مثل COMSOL Multiphysics ، لتصور التغييرات المحلية في ملف تعريف الانتشار على سطح القطب فائق الدقة (انظر جدول المواد). تركيب فولتاموغرامملاحظة: استخدم برنامج تركيب مخطط الفولتاموجرام لتحديد ثابت المعدل المتجانس (الشكل 4).اجمع مخططات الفولتاميوجرام الحلقية في محلول يحتوي على 1 mM TEMPO (فقط) و 1 mM TEMPO بالإضافة إلى 120 mM maltose. لكل حالة ، اجمع البيانات بمعدلات مسح مختلفة ، واستخدم هذه البيانات للتركيبات العددية لمجموعات البيانات التجريبية هذه.تناسب voltammograms التي تم جمعها من تجربة TEMPO فقط باستخدام آلية E ، والتي تصف عملية تفاعل مدفوعة فقط بالقطب47,48. سيؤدي ذلك إلى معلمات القطب. باستخدام معلمات القطب التي تم الحصول عليها من الخطوة 7.1.1.1، قم بتركيب مخططات الفولتاموجرام الناتجة من محلول 1 mM TEMPO plus 120 maltose إلى آلية EC′ 47,48، والتي تصف عملية القطب التي يتبعها تفاعل كيميائي متجانس يجدد وسيط الأكسدة والاختزال. سينتج عن هذا ثابت المعدل المتجانس. النمذجة متعددة الفيزياءاستخدم منصة نمذجة الفيزياء المتعددة لتصور التغييرات في ملفات تعريف الانتشار على سطح القطب فائق الدقة لكل من أنظمة التحكم والانقطاع التحفيزي الكهربائي20،49،50،51،52 (الشكل 5). استخدم معلمات القطب وثابت المعدل المتجانس الذي تم الحصول عليه من تركيب مخطط الفولتاميل كشروط أولية. فيما يلي نظرة عامة واسعة على سير العمل ، والتي يمكن تكييفها مع برامج مختلفة. أدخل المعلمات العالمية. تتكون هذه القيم من قيم ثابتة مثل (على سبيل المثال لا الحصر) قيم التركيز ومعاملات الانتشار ونصف قطر القطب ودرجة الحرارة. بناء مساحة المحاكاة. هذه مجموعة من الأشكال الهندسية التي تشمل القطب ، والغلاف العازل ، ومساحة الحل المحيطة التي تمثل منطقة الاهتمام ، ومجال عنصر لا نهائي يمثل البيئة المحيطة بالجملة. تقديم حزم الفيزياء لتحديد المحاكاة.اربط مساحة القطب بدراسة التحليل الكهربائي. حدد القيم الابتدائية وتفاعل القطب محل الاهتمام هنا. اربط مساحة الحل المحيطة بدراسة الكيمياء. حدد التفاعل الكيميائي المتجانس الذي يلي تفاعل القطب هنا. أدخل شبكة على مساحة المحاكاة بأكملها. يحدد هذا كيفية تقسيم الهندسة لحل النموذج. لتحقيق نتائج عالية الجودة ، استخدم شبكة أدق بالقرب من القطب. لمراقبة التغييرات نتيجة لثابت المعدل المتجانس ، قم بتغيير قيمة هذه المعلمة باستخدام دراسة حدودية لحل النموذج. لمراقبة التغييرات كدالة للوقت ، قم بتغيير قيمة هذه المعلمة باستخدام دراسة تعتمد على الوقت لحل النموذج.

Representative Results

يخفف انقطاع التحفيز الكهربائي من تأثيرات الحافة عن طريق تحويل آلية توليد التيار الأساسي من محدودة الانتشار (أي محدودة بنقل مسبار الأكسدة والاختزال إلى القطب) إلى محدودة حركيا (أي محدودة بتفاعل سريع في مرحلة الحل)20. هذه الطريقة معيارية ، مما يعني أنها تسمح بنهج الخلط والمطابقة لاختيار مادة القطب ، ومسبار الأكسدة والاختزال ، والركيزة ، وهذا يجعل انقطاع التحفيز الكهربائي قابلا للكشف عن العديد من المواد النانوية والحيوية6،7،8،9،10،11،12،13،14،15،22. أدى تنفيذ هذه التقنية على قطب كهربائي من ألياف الكربون نصف قطره 5.5 ميكرومتر إلى تحسين الدقة المرتبطة بالحجم الكهروكيميائي لنظام نموذجي (حبات البوليسترين) في محلول يحتوي على TEMPO كمسبار أكسدة واختزال والمالتوز كركيزة. باتباع هذا البروتوكول ، يمكن الحصول على مجموعات البيانات المطلوبة للتحقق من صحة هذه الآلية وقدرتها على استعادة الدقة التحليلية عند تحجيم الجسيمات النانوية غير النشطة كهربائيا. أولا ، أظهرت بيانات مخطط الفولتاموجرام الدوري التي تم جمعها في غياب حبات البوليسترين حدث أكسدة واختزال عكسي في تجارب التحكم التي تتضمن TEMPO وحده. من هنا ، أدت إضافة المالتوز إلى زيادة في الذروة المؤكسدة وخسارة متزامنة في الذروة المختزلة حيث تم تجديد TEMPO المؤكسد بواسطة المالتوز. ثانيا ، أظهرت الكرونو أمبير التي تم جمعها في ظل هذه الظروف أن تيارات الحالة المستقرة عند جهد مؤكسد كانت أعلى ، بما يتفق مع التضخيم التحفيزي الذي لوحظ في نتائج قياس الفولتاميتري الدوري. تشير هذه الخطوة أيضا إلى أن التفاعل الكيميائي السائب يتم الحفاظ عليه بواسطة تفاعل القطب ؛ وبالتالي ، فإن أي تحسينات على طريقة التحكم ستستمر طوال مدة القياس. غير أن هذا وحده لا يكفي لتقييم أي تحسينات في دقة القياس؛ للقيام بذلك ، يجب جمع بيانات قياس الكرونوأمبيرومتر في وجود حبات البوليسترين. لتقييم دقة التحجيم ، تم جمع بيانات كرونو أمبيروجرام باستخدام حبات البوليسترين الكربوكسيل 2 ميكرومتر. عند إضافتها ، لوحظت تغييرات تدريجية في تيار الكرونو أمبير كجسيمات فردية تتأثر وتمتص (الشكل 2 أ ، الشكل 2 ب انقطاع التحفيز الكهربائي). تم تحويل كل تغيير تدريجي في حجم تيار الحالة المستقرة إلى أنصاف أقطار الجسيمات ، وتم تصور البيانات كمخططات تكرارية لمقارنة التوزيع من هذه التقنيات الكهروكيميائية إلى تقنية المعيار الذهبي ، مثل المجهر الإلكتروني الماسح (الشكل 3). سمحت هذه المقارنة بعد ذلك بتوصيف المقاييس الدقيقة المرتبطة بكل نهج تحجيم. تم استخدام النمذجة لدعم هذه الملاحظات التجريبية. على وجه التحديد ، تركيب الفولتاميوجرام الدوري من قبل المعلمات التي تميز كل من تفاعل القطب والتفاعل الكيميائي في مرحلة المحلول (الشكل 4). من محلول التحكم ، كانت بعض معلمات العينة التي تم الحصول عليها هي Efθ = 0.49 V ، k 0 =0.02 cm · s-1 ، و ν = 10 mV · s-1 عند T = 25 درجة مئوية. من حل الاختبار ، يمكن الحصول على المعلمات الحركية التي تحد من توليد التيار ؛ على وجه التحديد ، مع اقتراب Keq من اللانهاية ، Kobs = 2,200 M-1 · s-1. يمكن أن تستخدم المحاكاة العددية بعد ذلك هذه القيم كشروط أولية لتوليد ملف تعريف تركيز مسبار الأكسدة والاختزال (الشكل 5). في غياب المالتوز ، كان ملف تعريف الانتشار الناتج شعاعيا ، مما أدى إلى تدفق المواد غير المتجانسة. على وجه التحديد ، يتم نشر المزيد من المواد على القطب عند الحواف. أدى إدخال المالتوز إلى ضغط ملف تعريف الانتشار ، مما أدى بدوره إلى تيارات أكثر تجانسا عبر سطح القطب. الشكل 1: رسم تخطيطي للبروتوكول التجريبي. تلميع الأقطاب الكهربائية قبل كل تشغيل تجريبي. اجمع مجموعة أساسية من القياسات الكهروكيميائية (قياس الفولتاميتري الدوري وقياس الكرونوأمبيرومتر) في حالة عدم وجود خرز مع وبدون تنفيذ انقطاع التحفيز الكهربائي لمراقبة تعزيز التيار مع إضافة الركيزة. ارتفاع في الخرز ، وجمع مجموعة ثانية من القياسات الكهروكيميائية لتحديد حجم الجسيمات النانوية المؤثرة. التحقق من صحة آلية العمل باستخدام المحاكاة العددية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 2: مخططات كرونو أمبير التي تم جمعها باستخدام قطب كهربائي فائق الدقة من ألياف الكربون بقطر 11 ميكرومتر يوضح التحسن في دقة القياس الذي تم تحقيقه باستخدام انقطاع التحفيز الكهربائي. على وجه التحديد ، عند قياس التيار مقابل الوقت في محلول 1 mM TEMPO في (A) غياب (تحكم) و (B) وجود 120 mM maltose (انقطاع التحفيز الكهربائي) ، كانت الخطوات التي لوحظت في الحالة الأخيرة أكثر تجانسا. أعيد طبعها بإذن من Chung et al.20. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 3: بيانات التحجيم الكهروكيميائية الدقيقة عند استخدام الانقطاع التحفيزي الكهروكيميائي مقارنة بالنهج الكهروكيميائي التقليدي المحدود الانتشار. لتمثيل هذه البيانات ، قم بإعداد الرسوم البيانية لمقارنة توزيعات الحجم المحددة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (رمادي فاتح) والكيمياء الكهربائية (انقطاع التحفيز الكهربائي ، الوردي ، التحكم ، الرمادي الداكن). تنتج دراسات التأثير النانوي التقليدية ، التي يكون فيها التيار محدودا بالنقل الجماعي للوسيط ، توزيعات حجم تقديرية واسعة بشكل مصطنع (رمادي غامق). في المقابل ، يؤدي تنفيذ انقطاع التحفيز الكهربائي إلى تقديرات حجم أضيق وأكثر دقة (وردي). أعيد طبعها بإذن من Chung et al.20. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 4: تمثيل حركية القطب لتوصيف مخطط التفاعل الجديد. باستخدام برنامج تركيب مخطط الفولتامخطط الفولتامي الدوري ، استخرج معلمات تفاعل القطب من البيانات التجريبية. (أ) بيانات ذات إيقاع 1 mM. (ب) البيانات التي تحتوي على 1 mM TEMPO زائد 120 mM Maltose. أعيد طبعها بإذن من Chung et al.20. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 5: التغيرات في تدفق المواد على سطح القطب عند إدخال انقطاع التحفيز الكهربائي المرئي بواسطة المحاكاة العددية . (أ) تؤدي إضافة المالتوز إلى ضغط طبقة الانتشار بطريقة تعتمد على التركيز. (ب) تؤدي إضافة المالتوز إلى خفض التدفق غير المتجانس عند حواف القطب. أعيد طبعها بإذن من Chung et al.20. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

الانقطاع التحفيزي الكهربائي سهل التنفيذ ويقلل من عدم الدقة المرتبطة بالكيمياء الكهربائية النانوية بترتيب من حيث الحجم. تمكن هذه الدقة المحسنة الباحثين مباشرة من التمييز بين الجسيمات ذات الأحجام المختلفة في محلول مختلط20. كما أنه يعزز القدرة على الكشف بشكل موثوق عن الجسيمات غير النشطة للأكسدة والاختزال الأصغر من الحد المبلغ عنه تاريخيا وهو 15٪ -20٪ من نصف قطر القطب17،21،23،34.

في حين أن الانقطاع الكهروكيميائي يمكن أن يستوعب أنظمة الأكسدة والاختزال المختلفة للكشف عن الجسيمات النانوية لمختلف المواد غير النشطة كهربائيا ، فإن تحديد أنظمة الأكسدة والاختزال هذه لا يزال يمثل تحديا كبيرا. يتمثل العائق الرئيسي أمام تنفيذ الانقطاع الكهروكيميائي في تحديد تفاعل كيميائي سريع بما يكفي لتقليل المساهمات المربكة لتأثيرات الحافة بشكل كبير. على وجه التحديد، في حين أن بعض الأمثلة على تفاعلات EC′، حيث يتبع تفاعل القطب تفاعل كيميائي يجدد تفاعل القطب، يتم توصيفها جيدا في الأدبيات29،32،53،54،55، إلا أن القليل منها سريع بما يكفي لتحسين دقة القياس. في هذه الدراسة ، من تلك التفاعلات السريعة بما فيه الكفاية ، تم اختيار نظام TEMPO-maltose ، وهذا أسفر عن ثابت معدل ملحوظ يبلغ 2200 M-1 · s-1. هذا ، جنبا إلى جنب مع المحاكاة متعددة الفيزياء التي تثبت أن معدلات التفاعل الأسرع تؤدي إلى تدفق أكثر تجانسا عند حافة القطب ، يدعم الاستنتاج القائل بأن التفاعلات الكيميائية السريعة فقط هي التي تنتج تحسينات تيار عدة أضعاف في الأقطاب الكهربائية فائقة الصغر.

لا يتطلب الانقطاع التحفيزي معالجة البيانات أو تعديلات على الأقطاب الكهربائية فائقة الدقة المتاحة تجاريا. لشرح مقادير التيار غير المتجانسة المميزة لبيانات التأثير النانوي ، قدم Bonezzi و Boika نموذجا نظريا يربط حجم الخطوة الحالية بحجمالجسيمات 25. ومع ذلك ، يعتمد هذا التحليل بشكل كبير على حساب متوسط المقادير الحالية كدالة للتردد التصادمي. لا يمنع هذا فقط إلقاء نظرة ثاقبة على خصائص الجسيمات الفردية ، ولكن هذه التقنية تظل تعتمد أيضا على تدفق مراسل الأكسدة والاختزال إلى القطب ولا تزيل مشكلة تأثيرات الحافة ، مما يؤدي إلى تقليل الدقة. قدم دينغ وآخرون أول نهج تجريبي لمعالجة تأثيرات الحافة ، باستخدام قطب كهربائي نصف كروي فائق الدقة مصنوع من الزئبق51. ومع ذلك ، فإن أقطاب قطرات الزئبق سامة وغير مستقرة ميكانيكيا ومستقرة على نافذة محتملة محدودةفقط 56. علاوة على ذلك ، لا يزال تصنيع (وصيانة) الأقطاب الكهربائية الدقيقة نصف الكروية تماما باستخدام مواد أخرى يمثل تحديا51,52. في الآونة الأخيرة ، اقترح Moazzenzade et al. الأقطاب الكهربائية الفائقة الدقيقة الحلقية لتوصيف التأثيرالنانوي 52. هذه الهندسة واعدة ولكنها تتطلب قدرات تصنيع نانوية. في المقابل ، يتيح الانقطاع التحفيزي إجراء تجارب تأثير نانوي مع المواد الموجودة عالميا في مختبر الكيمياء الكهربائية.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

تم تمويل هذا العمل من خلال منحة المعاهد الوطنية للصحة (NIH) R35GM142920. استفاد البحث المذكور هنا من المرافق المشتركة ل UCSB MRSEC (NSF DMR 1720256) ، وهي عضو في شبكة مرافق أبحاث المواد (www.mrfn.org). نشكر فيبي هيرتلر على المساهمة في المقالة الأصلية التي يشير إليها هذا العمل. نشكر الدكتورة كلير تشيشولم على المساعدة في الحصول على صور المجهر الإلكتروني الماسح.

Materials

0.05 µm microalumina polish Buehler 4010075
0.3 µm microalumina polish Buehler 4010077
1 µm microalumina polish Buehler 4010079
20 mL scintillation vials Fisher Sci 03-339-26C
Analytical balance Ohaus
Apreo C LoVac FEG SEM Thermo Fisher
Carbon fiber microelectrode ALS 002007 Working electrode; purchased from CH Instruments
Carboxyl Latex Beads, 4% w/v, 2 µm ThermoFisher Scientific C37278
COMSOL Multiphysics COMSOL Multiphysics v6.0
D-(+)-Maltose monohydrate Sigma Aldrich M5885
DigiSim Bioanalytical Systems, Inc. v3.03b Discontinued; comparable software is available commercially through the same vendor
EC-Lab BioLogic v11.27
Faraday cages Custom; analogous equipment can be commercially purchased or fabriated of conductive sheet metals (e.g., copper or aluminum)
Hummer Sputter Coater Anatech USA
OriginPro OriginLab v2022b
P1000 micropipette Fisher Scientific
P2 micropipette Fisher Scientific
P20 micropipette Fisher Scientific
P200 micropipette Fisher Scientific
Platinum Wire Electrode CH Instruments CHI115 Counter electrode
Potassium chloride Sigma Aldrich P3911
PSA-backed MicroCloth Buehler 407218
Saturated Calomel Electrode CH Instruments CHI150 Reference electrode
Sodium carbonate Fisher Chemical S263
Sodium hydroxide Sigma Aldrich S8045
Sodium perchlorate EM Science SX0692
SP-300 BioLogic
TEMPO Oakwood Chemical 013714
Ultra Low Current module BioLogic
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Heyrovsky, M., Jirkovsky, J. Polarography and voltammetry of ultrasmall colloids: Introduction to a new field. Langmuir. 11 (11), 4288-4292 (1995).
  2. Kleijn, S. E. F., et al. Landing and catalytic characterization of individual nanoparticles on electrode surfaces. Journal of the American Chemical Society. 134 (45), 18558-18561 (2012).
  3. Hill, C. M., Clayton, D. A., Pan, S. Combined optical and electrochemical methods for studying electrochemistry at the single molecule and single particle level: Recent progress and perspectives. Physical Chemistry Chemical Physics. 15 (48), 20797-20807 (2013).
  4. Dick, J. E., Hilterbrand, A. T., Boika, A., Upton, J. W., Bard, A. J. Electrochemical detection of a single cytomegalovirus at an ultramicroelectrode and its antibody anchoring. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (17), 5303-5308 (2015).
  5. Mirkin, M. V., Sun, T., Yu, Y., Zhou, M. Electrochemistry at one nanoparticle. Accounts of Chemical Research. 49 (10), 2328-2335 (2016).
  6. Sokolov, S. V., Eloul, S., Kätelhön, E., Batchelor-McAuley, C., Compton, R. G. Electrode-particle impacts: A users guide. Physical Chemistry Chemical Physics. 19 (1), 28-43 (2017).
  7. Stevenson, K. J., Tschulik, K. A materials driven approach for understanding single entity nano impact electrochemistry. Current Opinion in Electrochemistry. 6 (1), 38-45 (2017).
  8. Baker, L. A. Perspective and prospectus on single-entity electrochemistry. Journal of the American Chemical Society. 140 (46), 15549-15559 (2018).
  9. Cheng, W., Compton, R. G. Electrochemical detection of nanoparticles by ‘nano-impact’ methods. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 58, 79-89 (2014).
  10. Bard, A. J., Fan, F. -. R. F. Electrochemical detection of single molecules. Accounts of Chemical Research. 29 (12), 572-578 (1996).
  11. Xiao, X., Bard, A. J. Observing single nanoparticle collisions at an ultramicroelectrode by electrocatalytic amplification. Journal of the American Chemical Society. 129 (31), 9610-9612 (2007).
  12. Anderson, T. J., Zhang, B. Single-nanoparticle electrochemistry through immobilization and collision. Accounts of Chemical Research. 49 (11), 2625-2631 (2016).
  13. Goines, S., Dick, J. E. Review-Electrochemistry’s potential to reach the ultimate sensitivity in measurement science. Journal of the Electrochemical Society. 167 (3), 037505 (2020).
  14. Kai, T., Zhou, M., Johnson, S., Ahn, H. S., Bard, A. J. Direct observation of C2O4•- and CO2•- by oxidation of oxalate within nanogap of scanning electrochemical microscope. Journal of the American Chemical Society. 140 (47), 16178-16183 (2018).
  15. Dick, J. E. Electrochemical detection of single cancer and healthy cell collisions on a microelectrode. Chemical Communications. 52 (72), 10906-10909 (2016).
  16. Sepunaru, L., Sokolov, S. V., Holter, J., Young, N. P., Compton, R. G. Electrochemical red blood cell counting: One at a time. Angewandte Chemie International Edition. 55 (33), 9768-9771 (2016).
  17. Quinn, B. M., van’t Hof, P. G., Lemay, S. G. Time-resolved electrochemical detection of discrete adsorption events. Journal of the American Chemical Society. 126 (27), 8360-8361 (2004).
  18. Oldham, K. B. Edge effects in semiinfinite diffusion. Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. 122, 1-17 (1981).
  19. Fosdick, S. E., Anderson, M. J., Nettleton, E. G., Crooks, R. M. Correlated electrochemical and optical tracking of discrete collision events. Journal of the American Chemical Society. 135 (16), 5994-5997 (2013).
  20. Chung, J., Hertler, P., Plaxco, K. W., Sepunaru, L. Catalytic interruption mitigates edge effects in the characterization of heterogeneous, insulating nanoparticles. Journal of the American Chemical Society. 143 (45), 18888-18898 (2021).
  21. Boika, A., Thorgaard, S. N., Bard, A. J. Monitoring the electrophoretic migration and adsorption of single insulating nanoparticles at ultramicroelectrodes. The Journal of Physical Chemistry B. 117 (16), 4371-4380 (2013).
  22. Kim, B. -. K., Boika, A., Kim, J., Dick, J. E., Bard, A. J. Characterizing emulsions by observation of single droplet collisions-Attoliter electrochemical reactors. Journal of the American Chemical Society. 136 (13), 4849-4852 (2014).
  23. Dick, J. E., Renault, C., Bard, A. J. Observation of single-protein and DNA macromolecule collisions on ultramicroelectrodes. Journal of the American Chemical Society. 137 (26), 8376-8379 (2015).
  24. Lee, J. Y., Kim, B. -. K., Kang, M., Park, J. H. Label-free detection of single living bacteria via electrochemical collision event. Scientific Reports. 6 (1), 30022 (2016).
  25. Bonezzi, J., Boika, A. Deciphering the magnitude of current steps in electrochemical blocking collision experiments and its implications. Electrochimica Acta. 236, 252-259 (2017).
  26. Ellison, J., Batchelor-McAuley, C., Tschulik, K., Compton, R. G. The use of cylindrical micro-wire electrodes for nano-impact experiments; Facilitating the sub-picomolar detection of single nanoparticles. Sensors and Actuators B: Chemical. 200, 47-52 (2014).
  27. Denuault, G., Fleischmann, M., Pletcher, D., Tutty, O. R. Development of the theory for the interpretation of steady state limiting currents at a microelectrode: EC’ processes: First and second order reactions. Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. 280 (2), 243-254 (1990).
  28. Francke, R., Little, R. D. Redox catalysis in organic electrosynthesis: Basic principles and recent developments. Chemical Society Reviews. 43 (8), 2492-2521 (2014).
  29. Nutting, J. E., Rafiee, M., Stahl, S. S. Tetramethylpiperidine N-Oxyl (TEMPO), phthalimide N-oxyl (PINO), and related N-Oxyl species: Electrochemical properties and their use in electrocatalytic reactions. Chemical Reviews. 118 (9), 4834 (2018).
  30. Pierre, G., et al. TEMPO-mediated oxidation of polysaccharides: An ongoing story. Carbohydrate Polymers. 165, 71-85 (2017).
  31. Liaigre, D., Breton, T., Belgsir, E. M. Kinetic and selectivity control of TEMPO electro-mediated oxidation of alcohols. Electrochemistry Communications. 7 (3), 312-316 (2005).
  32. Rafiee, M., Karimi, B., Alizadeh, S. Mechanistic study of the electrocatalytic oxidation of alcohols by TEMPO and MHPI. ChemElectroChem. 1 (2), 455-462 (2014).
  33. Deng, Z., Renault, C. Detection of individual insulating entities by electrochemical blocking. Current Opinion in Electrochemistry. 25, 100619 (2021).
  34. Laborda, E., Molina, A., Batchelor-McAuley, C., Compton, R. G. Individual detection and characterization of non-electrocatalytic, redox-inactive particles in solution by using electrochemistry. ChemElectroChem. 5 (3), 410-417 (2018).
  35. Elgrishi, N., et al. A practical beginner’s guide to cyclic voltammetry. Journal of Chemical Education. 95 (2), 197-206 (2018).
  36. Cardwell, T. J., Mocak, J., Santos, J. H., Bond, A. M. Preparation of microelectrodes: comparison of polishing procedures by statistical analysis of voltammetric data. Analyst. 121 (3), 357-362 (1996).
  37. Lämmel, C., Heubner, C., Liebmann, T., Schneider, M. Critical impact of chloride containing reference electrodes on electrochemical measurements. Electroanalysis. 29 (12), 2752-2756 (2017).
  38. Walker, N. L., Dick, J. E. Leakless, bipolar reference electrodes: Fabrication, performance, and miniaturization. Analytical Chemistry. 93 (29), 10065-10074 (2021).
  39. Troudt, B. K., Rousseau, C. R., Dong, X. I. N., Anderson, E. L., Bühlmann, P. Recent progress in the development of improved reference electrodes for electrochemistry. Analytical Sciences. 38 (1), 71-83 (2022).
  40. Stuart, E. J. E., Zhou, Y. -. G., Rees, N. V., Compton, R. G. Particle-impact nanoelectrochemistry: A Fickian model for nanoparticle transport. RSC Advances. 2 (33), 12702-12705 (2012).
  41. Boika, A., Bard, A. J. Time of first arrival in electrochemical collision experiments as a measure of ultralow concentrations of analytes in solution. Analytical Chemistry. 87 (8), 4341-4346 (2015).
  42. Robinson, D. A., et al. Collision dynamics during the electrooxidation of individual silver nanoparticles. Journal of the American Chemical Society. 139 (46), 16923-16931 (2017).
  43. Lemay, S. G., Moazzenzade, T. Single-entity electrochemistry for digital biosensing at ultralow concentrations. Analytical Chemistry. 93 (26), 9023-9031 (2021).
  44. Vernon-Parry, K. D. Scanning electron microscopy: An introduction. III-Vs Review. 13 (4), 40-44 (2000).
  45. Abramoff, M. D., Magalhães, P. J., Ram, S. J. Image processing with ImageJ. Biophotonics International. 11 (7), 36-42 (2004).
  46. Collins, T. J. ImageJ for microscopy. BioTechniques. 43, S25-S30 (2007).
  47. Bard, A. J., Faulkner, L. R. . Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. , (2001).
  48. Compton, R. G., Banks, C. E. . Understanding Voltammetry (Third Edition). , (2018).
  49. Cutress, I. J., Dickinson, E. J. F., Compton, R. G. Analysis of commercial general engineering finite element software in electrochemical simulations. Journal of Electroanalytical Chemistry. 638 (1), 76-83 (2010).
  50. Dickinson, E. J. F., Ekström, H., Fontes, E. COMSOL Multiphysics®: Finite element software for electrochemical analysis. A mini-review. Electrochemistry Communications. 40, 71-74 (2014).
  51. Deng, Z., Elattar, R., Maroun, F., Renault, C. In situ measurement of the size distribution and concentration of insulating particles by electrochemical collision on hemispherical ultramicroelectrodes. Analytical Chemistry. 90 (21), 12923-12929 (2018).
  52. Moazzenzade, T., Walstra, T., Yang, X., Huskens, J., Lemay, S. G. Ring ultramicroelectrodes for current-blockade particle-impact electrochemistry. Analytical Chemistry. 94 (28), 10168-101747 (2022).
  53. Nekrassova, O., et al. The oxidation of cysteine by aqueous ferricyanide: A kinetic study using boron doped diamond electrode voltammetry. Electroanalysis. 14 (21), 1464-1469 (2002).
  54. Kuss, S., Compton, R. G. Electrocatalytic detection of ascorbic acid using N,N,N’,N’-tetramethyl-para-phenylene-diamine (TMPD) mediated oxidation at unmodified gold electrodes; Reaction mechanism and analytical application. Electrochimica Acta. 242, 19-24 (2017).
  55. Shayani-Jam, H., Nematollahi, D. Electrochemically mediated oxidation of glutathione and N-acetylcysteine with 4,4′-biphenol. Electrochimica Acta. 56 (25), 9311-9316 (2011).
  56. Vyskočil, V., Barek, J. Mercury electrodes-Possibilities and limitations in environmental electroanalysis. Critical Reviews in Analytical Chemistry. 39 (3), 173-188 (2009).

Tags

Electrochemical SizingParticle SizingNanomaterialsElectrochemistryEdge EffectElectrocatalytic InterruptionTEMPOSodium PerchlorateMaltoseCyclic VoltammetryChronoamperometryPolystyrene Beads

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Chung, J., Plaxco, K. W., Sepunaru, L. Precise Electrochemical Sizing of Individual Electro-Inactive Particles. J. Vis. Exp. (198), e65116, doi:10.3791/65116 (2023).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image